柴電混動(dòng)系統(tǒng)在某近海油船上的應(yīng)用

李家?guī)洠?濤， 吳光友，王 磊

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇通洋船舶有限公司，江蘇 常州 213200)

0 引言

常規(guī)推進(jìn)的船舶由于是主機(jī)直接連接軸系和螺旋槳，形式比較單一，在特殊狀況下負(fù)荷率低，經(jīng)濟(jì)性差，沒有靈活方便的附加配置及功能。然而，隨著主機(jī)需求端呈現(xiàn)多樣性趨勢(shì)及船舶工況復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)單一的動(dòng)力配置逐漸暴露出能耗高、經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)，因此，有必要研究一種靈活性和效率高、經(jīng)濟(jì)性和舒適性好、維護(hù)簡(jiǎn)單的動(dòng)力配備模式。本文研究的柴電混動(dòng)系統(tǒng)主要是在常規(guī)推進(jìn)的基礎(chǔ)上再配置1臺(tái)具有功率輸出/功率輸入(PTI/PTO)功能的齒輪箱和1臺(tái)可逆電機(jī)，以保證船舶能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)功能：經(jīng)濟(jì)航速下運(yùn)行時(shí)能實(shí)現(xiàn)整船的動(dòng)力及電力系統(tǒng)以最經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行；在主機(jī)發(fā)生故障或有特殊工況需要時(shí)可以微速航行；在緊急狀態(tài)下能夠更加快速航行等。目前國內(nèi)這種柴電混動(dòng)系統(tǒng)有些還停留在實(shí)驗(yàn)室階段[1-3]，有的雖然有實(shí)船的應(yīng)用[2]但功能沒有完全發(fā)掘出來。因此，為了保持與原動(dòng)力系統(tǒng)差異最小化，且初期增加投資小、性價(jià)比最大化，本文以某近海油船柴電混動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了柴電混動(dòng)系統(tǒng)的功能，研究了該系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和適配性。

1 主要配置及功能

1.1 主要配置

某近海油船柴電混動(dòng)系統(tǒng)由可逆電機(jī)、主機(jī)、帶PTO/PTI功能的齒輪箱、電能管理系統(tǒng)、軸系、可調(diào)槳共同組成一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。其他設(shè)備如全船的電池和用電設(shè)備等。柴電混動(dòng)系統(tǒng)的主要配置示意圖見圖1。

圖1 柴電混動(dòng)系統(tǒng)的主要配置示意圖

1.2 功能

1.2.1 功能1

主機(jī)連接齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)軸系，齒輪箱電機(jī)端切換至PTO模式，可逆電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)組可向電池組及全船供電。此時(shí)，可根據(jù)實(shí)船的用電負(fù)荷決定啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組的數(shù)量。此功能主要用于船舶在經(jīng)濟(jì)航速下運(yùn)行，已實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)功率的最低負(fù)荷率能達(dá)到60%。柴電混動(dòng)系統(tǒng)功能1示意見圖2。

圖2 柴電混動(dòng)系統(tǒng)功能1示意

1.2.2 功能2

主機(jī)因故障不能啟動(dòng)時(shí)，由齒輪箱切換至PTI模式，船內(nèi)發(fā)電機(jī)組或電池組供電至電機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)軸系。此功能主要用于主機(jī)故障或船舶微速航行的情況，系統(tǒng)功率的最低負(fù)荷率能達(dá)到90%。柴電混動(dòng)系統(tǒng)功能2示意見圖3。

圖3 柴電混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)功能2示意

1.2.3 功能3

主機(jī)和電機(jī)同時(shí)連接到齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)軸系。此功能為booster模式，多用于緊急狀態(tài)或需要更加快速航行工況。功能3早在2011年的歐洲一些發(fā)達(dá)國家的運(yùn)輸船上已經(jīng)有實(shí)船應(yīng)用。在國內(nèi)，因2018年P(guān)eak Pegasus貨船為趕最后的交貨期飛馳狂奔的新聞引起廣泛關(guān)注。因違約而帶來的罰款的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)比燃油消耗帶來的損失要大得多，所以boosber功能被業(yè)內(nèi)大部分船東逐漸接受。此功能下系統(tǒng)功率的最大負(fù)荷率能達(dá)到100%。 柴電混動(dòng)系統(tǒng)功能3示意見圖4。

圖4 柴電混動(dòng)系統(tǒng)功能3示意

綜上可見，柴電混動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)⒋罢w動(dòng)力系統(tǒng)的潛力最大化的發(fā)揮出來，避免船舶主柴油機(jī)由于工作在低負(fù)荷工況下的較低的燃油效率，以及在高負(fù)荷狀態(tài)下達(dá)不到要求的情況，從而提高全工況的經(jīng)濟(jì)性，更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。

2 柴電混動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)

(1)柴電混動(dòng)系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際工況仔細(xì)計(jì)算、分配動(dòng)力，使主柴油機(jī)與推進(jìn)電機(jī)負(fù)荷輸出都有一個(gè)最佳的配合。

(2)電機(jī)在低功率高負(fù)載扭矩狀態(tài)下的難點(diǎn)。為保證電機(jī)在PTI 模式下能以較小的啟動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)，將齒輪箱設(shè)計(jì)為PTO/PTI雙速比：PTO、PTI 各自有單獨(dú)的離合器，并設(shè)計(jì)不同的速比。同時(shí)也可考慮采用調(diào)距槳等方法來降低電機(jī)的負(fù)載扭矩等。

(3)PTO/PTI切換技術(shù)。PTO/PTI 模式切換需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)、電機(jī)、齒輪箱、主機(jī)等設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行下的各項(xiàng)參數(shù)，最后通過操控齒輪箱完成PTO/PTI切換。切換技術(shù)的難點(diǎn)在于需要系統(tǒng)計(jì)算PTO/PTI各工況下主機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪箱速比、電機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率、電機(jī)功率、配電系統(tǒng)的電流電壓之間的銜接，并根據(jù)上述設(shè)備的技術(shù)要求進(jìn)行相應(yīng)控制，最終確保主機(jī)、齒輪箱、電機(jī)之間安全、可靠地完成各模式之間的切換。

(4)電機(jī)和主機(jī)booster技術(shù)。柴油機(jī)相對(duì)電機(jī)而言，特性稍軟，所以對(duì)系統(tǒng)沒有大的影響。而電機(jī)由于自身的機(jī)械特性差異很大，選用的常規(guī)電動(dòng)機(jī)特性較硬，適用于負(fù)載變化大但轉(zhuǎn)速變化小的情況，如轉(zhuǎn)速變化過大可能導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)崩潰。通常在這一模式下的配置中，負(fù)荷分配之間的問題就會(huì)對(duì)整個(gè)混合系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性有明顯的影響，所以柴油機(jī)功率一般是電機(jī)容量的5倍，當(dāng)然也要根據(jù)電機(jī)的特性來確定負(fù)荷分配。另外對(duì)booster控制系統(tǒng)的動(dòng)作精度、時(shí)間響應(yīng)速度、運(yùn)算精度等方面的技術(shù)要求很高。同時(shí)booster技術(shù)也是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的難點(diǎn)之一，如何實(shí)現(xiàn)主機(jī)和電機(jī)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍下實(shí)現(xiàn)并車、縮短響應(yīng)時(shí)間、消除booster過程中齒輪與齒輪之間的沖擊等都是要考慮的問題。

(5)電機(jī)選型及其啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。大部分發(fā)電機(jī)僅運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)僅運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)下，而本系統(tǒng)的可逆電機(jī)要求既能在電動(dòng)工況下運(yùn)行，又能在發(fā)電工況下運(yùn)行，因而需綜合考慮兩種不同工況以及在同一工況下不同負(fù)載還有主機(jī)和電機(jī)在不同階段下對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、電磁構(gòu)造形式，以及冷卻方式上的推敲，這無疑縮小了電機(jī)的可選范圍，增大了選型的難度。可逆電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，啟動(dòng)負(fù)載普遍偏大，又需要所謂的“軟起動(dòng)”。對(duì)于這類啟動(dòng)又分好多種啟動(dòng)方式，如變頻啟動(dòng)、小功率異步電動(dòng)機(jī)輔助啟動(dòng)、柴油發(fā)電機(jī)組降頻降壓?jiǎn)?dòng)等，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮不同啟動(dòng)方案及對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的影響程度，再根據(jù)各自的影響程度，最終選擇最佳的電機(jī)型號(hào)及啟動(dòng)系統(tǒng)方案。

3 柴電混動(dòng)系統(tǒng)的適配性

從目前的配置來看，整個(gè)系統(tǒng)的冗余度高、設(shè)備配備多、重量大，主要適用于運(yùn)輸船、海洋工作船、運(yùn)維船、客滾船、公務(wù)船等。這類船舶的共同特點(diǎn)為機(jī)艙空間較大，同時(shí)增加的重量對(duì)整船航行性能的影響很小，船上的發(fā)電機(jī)組的容量高，動(dòng)力設(shè)備的配置比較齊全。因此在這類船舶上使用本文的柴電混動(dòng)系統(tǒng)比較合適。相反，如果是船型較小，又對(duì)整船的航速有較高的需求時(shí)，則不適用。當(dāng)然隨著日后科技的進(jìn)步，各種設(shè)備小型化后，柴電混動(dòng)系統(tǒng)或有一個(gè)更大范圍的適用空間。

4 結(jié)論

實(shí)際裝船后經(jīng)過1年半的使用后顯示，該系統(tǒng)能夠滿足船東的使用需求。

(1)從經(jīng)濟(jì)性上來看，在1年半的時(shí)間內(nèi)節(jié)省燃油消耗12%，超出預(yù)估的5%～10%的計(jì)算值。

(2)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)在booster功能下的齒擊現(xiàn)象，而且booster功能下的航速滿足設(shè)計(jì)計(jì)算值。